第七章 半导体存储器

1、17.1 概述概述7.2 只读存储器只读存储器7.3 随机存储器随机存储器7.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展7.5 用存储器实现组合逻辑用存储器实现组合逻辑第七章第七章 半导体存储器半导体存储器2本章的重点：本章的重点：1 1存储器的基本工作原理、分类和每种类型存储器的特点；存储器的基本工作原理、分类和每种类型存储器的特点；2 2扩展存储器容量的方法；扩展存储器容量的方法；3 3用存储器设计组合逻辑电路的原理和方法。用存储器设计组合逻辑电路的原理和方法。 因为存储器几乎都作成因为存储器几乎都作成LSILSI器件，所以这一章的重点内容器件，所以这一章的重点内容是如何正确使用这些器件。存储器

2、内部的电路结构不是课程是如何正确使用这些器件。存储器内部的电路结构不是课程的重点。的重点。37.1 概概 述述 存储器：存储大量二值信息（或称为二值数据）的半存储器：存储大量二值信息（或称为二值数据）的半导体器件。导体器件。1、用途、用途 在计算机或数字系统中存储数据。在计算机或数字系统中存储数据。 与寄存器的区别：以与寄存器的区别：以字字为单位存取，每字包含若干为单位存取，每字包含若干位位。各个字的相同位通过各个字的相同位通过同一引脚同一引脚与外界联系。每个字分配一与外界联系。每个字分配一个个地址地址，因此内部有地址译码器。，因此内部有地址译码器。42、存储器分类、存储器分类掩模掩模ROM可

3、编程可编程ROM（PROM）可擦除可编程可擦除可编程ROM（EPROM）随机存储器随机存储器RAM静态存储器静态存储器SRAM动态存储器动态存储器DRAM按按功功能能(Read- Only Memory)(Random Access Memory)(Programmable ROM)(Erasable PROM)UVEPROMEEPROM只读存储器只读存储器ROMFlash Memory(Ultra-Violet)(Electrically)电可擦除电可擦除紫外线擦除紫外线擦除(Static RAM)快闪存储器快闪存储器(Dynamic RAM)只能读出不能只能读出不能写入写入,断电不失断电不

4、失5还可以按制造工艺分为双极型和还可以按制造工艺分为双极型和MOS型两种。型两种。3、存储器主要指标、存储器主要指标 存储容量存储容量:用字数用字数位数表示，也可只用位数表示。位数表示，也可只用位数表示。如，某动态存储器的容量为如，某动态存储器的容量为109位位/片。片。 存取速度：用完成一次存取所需的时间表示。高存取速度：用完成一次存取所需的时间表示。高速存储器的存取时间仅有速存储器的存取时间仅有10ns左右。左右。67.2 只读存储器只读存储器7.2.1、掩模只读存储器、掩模只读存储器 又称为固定又称为固定ROM。工厂按用户要求生产出来后，用户不。工厂按用户要求生产出来后，用户不能改动。能

5、改动。1.ROM的构成的构成存储矩阵存储矩阵：由若干存储单元：由若干存储单元排列成矩阵形式。排列成矩阵形式。储存单元：储存单元：可由二极管、双可由二极管、双极性三极管或极性三极管或MOS管构成。管构成。 地址译码器地址译码器：根据地址输入，：根据地址输入，在存储矩阵中选出指定的字对在存储矩阵中选出指定的字对应的单元，把数据送往输出缓应的单元，把数据送往输出缓冲器。冲器。输出缓冲器输出缓冲器：增加带负载能力；：增加带负载能力；同时提供三态控制，以便和系同时提供三态控制，以便和系统的总线相连。统的总线相连。7二四线二四线译码器译码器A1,A0的四个的四个最小项最小项字线字线位线位线2. 工作原理工

6、作原理83. 用用MOS工艺制造的工艺制造的ROM的存储矩阵的存储矩阵或非门或非门916字字8位的位的PROM十十六六条条字字线线八八条条位位线线20V十几微秒十几微秒编程脉冲编程脉冲 读出时，读出读出时，读出放大器放大器AR工作，写工作，写入放大器入放大器AW不工作。不工作。 写入时，在位写入时，在位线输入编程脉冲使线输入编程脉冲使写入放大器工作，写入放大器工作，且输出低电平，同且输出低电平，同时相应的字线和时相应的字线和VCC提高到编程电平，提高到编程电平，将对应的熔丝烧断。将对应的熔丝烧断。缺点：不能重复擦除。缺点：不能重复擦除。10一、紫外线擦除的只读存储器（一、紫外线擦除的只读存储器

7、（UVEPROM） 是最早出现的是最早出现的EPROM。通常说的。通常说的EPROM就是指这种。就是指这种。 1. 使用浮栅使用浮栅雪崩注入雪崩注入MOS管（管（Floating-gate Avalanche-Injuction MOS，简称，简称FAMOS管。）管。）7.2.3 可擦除的可编程只读存储器（可擦除的可编程只读存储器（EPROM）11 写入：写入：管子原来不导通。在漏源之间加上较高电压后（如管子原来不导通。在漏源之间加上较高电压后（如-20V），漏极），漏极PN结雪崩击穿，部分高速电子积累在浮栅上，结雪崩击穿，部分高速电子积累在浮栅上，使使MOS管导通。管导通。擦除：擦除：用紫外

8、线或用紫外线或X射线擦除。需射线擦除。需2030分钟。分钟。 浮栅上电荷可长期保存在浮栅上电荷可长期保存在125环境温度下，环境温度下，70%的电荷能保存的电荷能保存10年以上。年以上。12 缺点：需要两个缺点：需要两个MOS管；管； 编程电压偏高；编程电压偏高； P沟道管的开关速度低。沟道管的开关速度低。使用使用FAMOS管的存储单元管的存储单元13 注入电荷：在注入电荷：在DS间加高电压，同时在控制栅加间加高电压，同时在控制栅加25V、50mS宽的脉冲。由宽的脉冲。由于控制栅上有电压，所以需要的漏源电压相对较小。注入电荷后其开启电于控制栅上有电压，所以需要的漏源电压相对较小。注入电荷后其开

9、启电压达压达7V，不能正常导通。，不能正常导通。构造：用构造：用N沟道管；增加控制栅。沟道管；增加控制栅。SIMOS管原来可导通，开管原来可导通，开启电压约为启电压约为2V。2.使用叠栅注入使用叠栅注入MOS管管SIMOS (Stacked-gate Injuction MOS)14这是一种双译码方这是一种双译码方式，行地址译码器式，行地址译码器和列地址译码器共和列地址译码器共同选中一个单元。同选中一个单元。每个字只有一位。每个字只有一位。SIMOS管的管的256字字X1位位EPROM 已注入电荷的存入是已注入电荷的存入是1。15二、电可擦除二、电可擦除EPROM(EEPROM或或E2ROM)

10、 用紫外线擦除操作复杂，速度很慢。必须寻找新的存用紫外线擦除操作复杂，速度很慢。必须寻找新的存储器件，使得可以用电信号进行擦除。储器件，使得可以用电信号进行擦除。使用使用浮栅隧道氧化层浮栅隧道氧化层MOS管管Flotox(Floating gate Tunnel Oxide)特点：特点：浮栅与漏区间的氧化物层极薄（浮栅与漏区间的氧化物层极薄（20纳米以下），称为纳米以下），称为隧道区。当隧道区电场大于隧道区。当隧道区电场大于107V/cm时隧道区双向导通。时隧道区双向导通。16写入（写写入（写0）擦除（写擦除（写1）读出读出存储单元结构及读、写、擦除操作：存储单元结构及读、写、擦除操作：10m

11、sEEPROM的缺点：的缺点：擦写需要高电压脉冲；擦写时间长；存擦写需要高电压脉冲；擦写时间长；存储单元需两只储单元需两只MOS管。管。17采用新型隧道氧化层采用新型隧道氧化层MOS管。该管特点：管。该管特点： 1.隧道层在源区；隧道层在源区；2.隧道层更薄隧道层更薄1015nm。在控制栅和源极。在控制栅和源极 间加间加12V电压即可使隧道导通。电压即可使隧道导通。三、快闪存储器三、快闪存储器(Flash Memory）18存储单元的工作原理存储单元的工作原理：1.写入利用雪崩注入法。源极接地；写入利用雪崩注入法。源极接地；漏极接漏极接6V；控制栅；控制栅12V脉冲，宽脉冲，宽10 s。2.擦

12、除用隧道效应。控制栅接地；擦除用隧道效应。控制栅接地；源极接源极接12V脉冲，宽为脉冲，宽为100ms。因为片内所有叠栅管的源极都连因为片内所有叠栅管的源极都连在一起，所以一个脉冲就可擦除在一起，所以一个脉冲就可擦除全部单元。全部单元。3.读出：源极接地，字线为读出：源极接地，字线为5V逻逻辑高电平。辑高电平。6V0V12V10 s0V12V100ms快闪存储器特点：集成度高，容量大，成本低，使用方便。快闪存储器特点：集成度高，容量大，成本低，使用方便。5V197.3 随机存储器（随机存储器（RAM）7.3.1静态随机存储器静态随机存储器SRAM 特点：特点：RAM在工作时在工作时可随时对任意

13、指定单元进行读或写操作。使用方便、可随时对任意指定单元进行读或写操作。使用方便、灵活。但切断电源后，所存信息就会丢失。分为静态随机存储器灵活。但切断电源后，所存信息就会丢失。分为静态随机存储器SRAM和动态和动态随机存储器随机存储器DRAM两种。也可称为读写存储器。两种。也可称为读写存储器。 一、一、SRAM的结构的结构1.存储矩阵存储矩阵2.地址译码：双译码。地址译码：双译码。3.读写控制电路：读写控制电路：片选信号片选信号CS：控制：控制I/O端端是否处在高阻状态。是否处在高阻状态。读写控制信号读写控制信号R/ W：201024字字4位（位（2114）211.六管六管NMOS静态存储单元静

14、态存储单元2.六管六管CMOS静态存储单元静态存储单元3.双极型静态存储单元双极型静态存储单元二、静态二、静态SRAM的存储单元的存储单元22 利用利用MOS管管栅极电容栅极电容可以暂存电荷的原理制成。因此，存储单元简单，可以暂存电荷的原理制成。因此，存储单元简单，存储容量大。但栅极存储容量大。但栅极电容电容很小，由于漏电的影响，电容电荷保存时间很很小，由于漏电的影响，电容电荷保存时间很短。必须定时给电容充电短。必须定时给电容充电刷新刷新、再生再生。这就需要外围电路配合。这就需要外围电路配合。这里只介绍四管动态存储单元。这里只介绍四管动态存储单元。*二、动态随机存储器二、动态随机存储器DRAM

15、读出：读出： 先加先加预充预充脉冲，使脉冲，使B和和B线充至线充至VDD,再使再使X信信号有效，就可在号有效，就可在B和和B线线上得到要求的电平。上得到要求的电平。 这也是刷新过程。这也是刷新过程。 如果使如果使Y信号也有信号也有效，就能读出了。效，就能读出了。写入：写入： 跟静态存储器跟静态存储器类似。类似。237.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展一、位扩展方式一、位扩展方式N=目标存储器容量目标存储器容量已有存储器容量已有存储器容量需要片数需要片数N=8例：用例：用1024字字1位位RAM构成构成1024字字8位位RAM.24例：用例：用256字字8位位RAM组成组成1024字字8位存储器。位存储器。需要片数需要片数N4N=目标存储器容量目标存储器容量已有存储器容量已有存储器容量特点：必须使用译码器。特点：必须使用译码器。二、字扩展方式二、字扩展方式25方法：片内地址信号并联；多余地址端通过译码器接方法：片内地址信号并联；多余地址端通过译码器接至各片的片选端；至各片的片选端；